Understanding Signal - 3. Square Wave Deep Dive

만약 당신이 PCB 엔지니어, 그중에서도 디지털 로직 기반 Engineer라면, 대부분 마주하는 신호는 Square Wave(구형파) 형태의 "High-Speed Digital Pulse"일 것이다.

즉, SI 설계에서 다루는 신호는 대부분 "구형파처럼 생긴 디지털 신호"이고, 그것이 전송선을 지나면서 어떤 왜곡을 받는지를 해석하는 것이 주가 될 것이다.

그렇다면 구형파는 어떻게 구성되어있는지부터 알아야 하지 않을까?

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1. Square Wave의 구성요소

 

앞서 구형파에 대해 설명한 것을 보자.

• Square Wave (구형파)
  
  • 이상적 구형파는 기본 주파수(f)에 3f, 5f, 7f... 등 홀수 고조파가 모두 포함됨

실제로 아래 Simulation을 통해, Sine Wave에 특정 Frequency의 고조파 성분을 점차 추가할수록 신호가 점점 이상적인 Square Wave에 가까워지는 것을 확인할 수 있다.

 

위 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있는 또 하나의 중요한 사실은, 더 높은 고조파 성분이 포함될수록 신호의

Rise/Fall time 또한 짧아진다는 것이다.

즉, 정확한 양의 고조파가 포함될수록
이상적인 Square Wave, 곧 Rise/Fall time이 0에 가까운
이상적인 디지털 신호에 근접하게 된다.

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2. High - Speed Digital Pulse (High - Speed Square Wave)

그렇다면 High-Speed Signal에서 SI가 중요한 이유는 무엇일까?

위 그래프를 보면 알 수 있듯, 최신 디바이스일수록 더 낮은 전압에서 더 높은 주파수로 동작하도록 설계되고 있다. 이는 곧 저전력·고속 구동을 위한 필연적인 진화 방향이라 할 수 있다.

하지만 이러한 조건은 이상적인 디지털 신호(Square Wave)를 회로 상에서 구현하기가 점점 더 까다로워지고 있다는 뜻이기도 하다.

• 전압이 낮아지면 → Noise Margin이 줄어들고,
• 주파수가 높아지면 →  고주파 손실에 더 민감해진다.

결과적으로는, 이상적인 파형을 유지하기 위한 설계 여유도가 줄어들고, 작은 SI 문제도 치명적인 신호 왜곡으로 이어질 가능성이 높아지는 것이다.

즉, 과거 kHz 단위의 느린 회로에서는 크게 신경 쓰지 않아도 되었던 SI가, 오늘날의 GHz급 시스템에서는 설계 초기부터 반드시 고려해야 할 핵심 요소로 부상한 것이다.

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현재까지 알아본 내용을 정리하자면 다음과 같다.

 

Signal (or Pulse)은
Time Domain 또는 Frequency Domain에서 분석할 수 있다.

Signal은 Sine 고조파들을 결합하여 재구성할 수 있다.

안정적인 High-Speed Signal (Fast rise time)은
Low-Speed Signal(Small rise time) 보다
더 많은 고조파 성분(즉, Higher Frequency)이 필요하다.

이제 여기까지의 내용을 통해, Signal Integrity(SI)가
왜 중요한지에 대한 개념은 충분히 자리 잡았을 것이다.

그렇다면 다음 단계로는, SI를 향상시키기 위해 실제 회로 설계에서
어떤 기법들이 사용되는지에 대해 보다 구체적으로 알아보자.